广州地铁3 号线最高行车速度的确定
摘 要 广州地铁3 号线是国内第一条设计最高行车速度达120 km/ h 的轨道交通线。分别从列车牵引计算分析,以及车辆、土建工程、机电设备系统及运营费用等方面, 对4 种最高行车速度的不同方案进行综合分析比较,认为采用120 km/ h 的方案是经济合理的。
关键词 广州,地铁,快线系统,最高行车速度
目前,国内城市轨道交通的最高行车速度一般不超过80 km/h 。广州地铁3 号线是国内第一条设计最高行车速度达120 km/ h 的城市轨道交通线。由于国内尚无轨道交通快线系统的工程建设经验, 业内不少专家对广州地铁3 号线采用如此高的行车速度,在技术可行性以及经济合理性上曾一度产生疑虑。为此,在3 号线的工程可行性研究工作中,对最高行车速度为80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的不同方案,分别从工程投资(包括车辆购置费、土建工程投资、机电设备投资等) 、运营费用(包括运行能耗、维修费用等) 以及技术可行性等方面,进行了全面的技术经济综合比较论证,从中选取120 km/ h 为3 号线的最高行车速度,确定了3 号线的主要技术标准。
1 3 号线线路方案及功能定位
广州地铁3 号线呈南北走向,主线北起广州东站,南到番禺广场,全长28. 5 km , 设13 座车站,平均站间距为2. 4 km , 计划于2006 年建成。2010 年后,3 号线北端将从广州东站延伸至新白云国际机场,延伸段长35 km , 拟设7 座车站,平均站间距为5. 8 km ; 南端从番禺广场延伸至广州新城,延伸段长6. 5 km , 拟设车站2 座,平均站间距3. 3 km 。3 号线两端向南北延伸后,线路全长70 km , 共设车站21 座,平均站间距达3. 5 km 。
根据广州市城市发展总体规划以及广州市轨道交通近期线网规划,3 号线主线是广州市轨道交通网中南北方向骨干线的一部分,是广州市中心线城区联系南北部各组团的轨道交通快线,南北端都要满足继续延长的可能。为保证工程近远期结合和加强组团间的联系,城市总体规划要求3 号线采用快线制式,旅行速度不低于50 km/h , 以保证城市南北有非常快捷的交通联系,起到拉开城市布局、促进城市健康发展的引导作用。
2 不同行车速度方案综合分析比较
根据3 号线线路及站位设置方案,对最高行车速度为80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的不同方案,分别进行列车牵引计算分析,并从车辆、土建工程、机电设备系统、运营费用等方面进行技术经济综合分析, 从中优选出合适的行车速度方案。
2. 1 列车牵引计算分析
根据3 号线线路条件以及相关车辆资料,对最高行车速度采用80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 四种方案分别进行列车牵引计算,计算主要结果包括各方案的旅行速度、旅行时分、牵引能耗、配车数量等(见表1) 。
表1 广州地铁3 号线不同行车速度时牵引计算结果
从列车牵引计算结果可以看出:
1) 当最高行车速度选为80 km/h 时,旅行速度最小(仅为46. 8 km/h) ,旅行时间相应较长,车辆配置数最大。不能满足旅行速度不低于50 km/h 的规划要求。
2) 在年列车牵引能耗方面,当采用较高行车速度标准时,列车牵引能耗相应增大。与最高行车速度采用80 km/h 相比,采用100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的速度标准, 其远期牵引能耗分别增加7. 5 % 、22. 2 % 和42 % 。
3) 在车辆配置数方面,当采用较高的行车速度标准时,车辆配置数相应减小。与最高行车速度采用80 km/h 相比,采用100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的速度标准,其远期车辆配置数量分别减少21. 7 % 、34 % 和37. 6 % 。
2. 2 车辆
随着行车速度的提高,对车辆的总体性能要求将更高。速度提高主要对车辆的牵引系统、制动系统、转向架等方面产生影响。同时为了减少噪声, 保证车内乘客的舒适度,需要采取经济合理的措施降低噪声。根据国外车辆厂商的实践经验,对于地铁电动车组,当最高行车速度不超过140 km/ h 时, 其整体技术性能要求没有本质差异。尽管车辆的综合造价随着速度的提高会有不同程度的增加,但增幅不大。当车辆最高速度从80 km/h 提高到120 km/ h 后,车辆的综合造价仅增加15 %～20 % 左右。在进行对比分析时,最高行车速度为80 km/h 、100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的车辆造价可分别按照1000 万元/ 辆、1100 万元/ 辆、1200 万元/ 辆和1300 万元/ 辆考虑。随着行车速度的提高,尽管车辆造价有所增加,但车辆配置数相应减少,总的车辆购置费反而减少。若以80 km/h 车辆的购置费为基数,则在最高行车速度为100 km/ h 、120 km/ h 、140 km/ h 的情况下,车辆购置费可减少8. 0 亿元、12. 1 亿元、11. 0 亿元。
2. 3 土建工程
2. 3. 1 区间隧道
由于3 号线线路站间距较长,为了满足长大区间消防疏散的要求,需在区间隧道内设置宽度不小于60 cm 的纵向疏散平台。考虑到消防疏散模式的统一,全线区间隧道均设置纵向疏散平台。设置疏散平台后,如车辆宽度为3. 0 m , 则盾构段圆形隧道的内直径将由地铁1 、2 号线的5. 4 m 增加到5. 6 m , 矩形隧道和马蹄形隧道断面尺寸也相应增加。因此,无论采取哪种行车速度方案,区间隧道均需根据消防疏散要求扩大隧道断面;或在隧道断面不变的情况下,将车辆宽度减为2. 8 m 。根据列车运行阻力模拟分析计算,列车最高行车速度提高到120 km/ h 后,采用满足消防疏散要求的隧道断面,其运行阻力增加的幅度并不大,阻力增加引起能耗费用的增加仅占总能耗费用增量的16. 6 % 。因此,最高行车速度从80 km/h 增加到120 km/ h 后不会对区间隧道的造价造成直接的影响。
2. 3. 2 线路标准
列车行车速度越高,要求线路的最小曲线半径越大。3 号线的主线路条件较好,线路大部分位于城市未建成区内,由北到南比较顺直,在最高行车速度为120 km/ h 的情况下,不限速区段的最小曲线半径控制在700 m 。经过现场调研,没有因为设置曲线大半径而增加房屋拆迁及桩基托换等额外的工程费用。因此,线路标准的不同对本工程土建造价的影响很小。
2. 3. 3 车辆段规模
为满足行车组织的要求,当采用不同最高行车速度时,需要配置的车辆数量是不同的。根据列车牵引计算,若列车最高行车速度为120 km/h , 远期总配车辆数只需384 辆; 若最高行车速度采用80 km/ h , 则需要配备的车辆数达582 辆。列车最高行车速度采用80 km/h 与采用120 km/ h 相比,车辆段内停车库的面积将增大1. 5 倍。由于车辆配置数增加,所需要的车辆检修位置和大修厂房也将扩大,因此整个车辆段的规模必将扩大。
2. 4 机电设备系统
2. 4. 1 通风空调系统
车辆高速运行对通风空调系统有较大的影响, 需要考虑降低隧道内温度和控制隧道内风压的变化。由于3 号线线路站间距较长,根据隧道通风模拟分析计算,无论采用哪种行车速度方案,均需要采取以下措施:长区间隧道加设中间风井,短区间可不采取特别措施。因此, 最高行车速度由80 km/ h 提高到120 km/ h 后,通风系统对土建及设备的投资影响不大。
2. 4. 2 信号系统
列车最高行车速度提高后,对信号系统会产生一定的影响。例如,信号安全保护区段长度随着速度的提高而增大,需要的安全停车距离加长。这些因素都会使系统容量减小。但是,根据远期客流量的运能需要,3 号线设计最小行车间隔仅为105 s , 在此情况下,无论采用哪种行车速度方案,3 号线信号系统采用的准移动闭塞制式或移动闭塞制式均能满足要求。因此,最高行车速度从80 km/h 提高到120 km/ h 后,对信号系统造价的影响甚微。
2. 4. 3 供电系统
列车行车速度提高后,根据供电计算结果,除某些区段由于行车密度较大,牵引整流机组容量需适当加大以外,与采用80 km/h 行车速度相比,牵引变电所数量不需增加(3 号线在120 km/ h 条件下,牵引变电所之间的距离平均为2. 89 km , 而地铁1、2 号线牵引变电所之间的平均距离约为2. 5 km) 。因此,列车最高行车速度由80 km/h 提高到120 km/ h 后,除了5 个牵引变电所整流机组容量增加使投资有少量增加以外,其它没有差异,整个牵引供电系统的投资增加非常有限。
2. 4. 4 其它机电设备系统
其它机电系统,如通信系统、机电设备监控系统、防灾报警系统、自动售检票系统、屏蔽门系统及自动扶梯/ 电梯等系统,与最高行车速度无直接关系,列车最高行车速度提高后,均不需要额外增加投资。因此,3 号线车辆最高行车速度由80 km/h 提高到120 km/ h 后,对机电设备系统的造价影响不大。
2. 5 运营费用
2. 5. 1 牵引能耗费用
以目前广州地铁1 号线的运营电费为参考依据,并根据前述列车牵引计算结果,可以计算出不同行车速度下列车年运营能耗费用总量。以广州新城至新机场总长约70 km 的线路远期列车年运营能耗费用计算,与80 km/h 最高行车速度下的年运营能耗相比,120 km/ h 最高行车速度下的年运营能耗大约需增加0. 341 亿元。
2. 5. 2 列车运营人工费
对于运营费的支出,除了车辆的备件费用和检修人员的人工费用以外,运营司乘人员的人工费也是需要重点考虑的一个方面。根据广州地铁运营事业总部目前司乘人员的福利待遇,每个司乘人员正常的开支至少需要4. 2 万元/ 年。所需的司乘人员数量是与总的配车数量相对应的。若以最高行车速度120 km/ h 为基础考虑司乘人员配备,远期需要配备司乘人员数量为215 人;若最高行车速度为80 km/h , 则需要配备的司乘人员数量为330 人。二者相比,最高行车速度选择120 km/h , 远期每年运营成本将节约483 万元。
2. 5. 3 日常维修费用
1) 车辆维修费用不管列车的最高行车速度是80 km/h 还是120 km/ h , 根据确定的行车组织安排,为满足旅客运输的需要,在各个不同的年限,每天总的运营列车公里数是一样的。故当列车最高行车速度提高后,最直接的结果是每辆车每天的行车里程将增加,由此造成车辆检修周期缩短,检修次数增加,车辆检修工作量相对增加。另一方面,由于列车行车速度的提高,使得总的运营列车配置数有较大幅度的减少,需要检修的列车数也相应减少。
综合考虑车辆配置数和车辆检修周期两方面的因素,虽然对于同一辆车检修的周期缩短了,但由于需要检修的车辆总数量减少了,因此最高行车速度提高后总的车辆检修维护的费用没有增加。
2) 轨道维护费
列车行车速度提高造成车轮磨耗量增加的同时,也将引起轨道磨耗量的增加。轨道维护包括日常的检查维护和对轨道定期打磨。日常维护检查工作量大小主要取决于线路的长度。轨道定期打磨工作量的增加可基本参照车轮磨耗量增加所需增加的维修工作量,同时考虑道床、道岔维修工作量的增加。最高行车速度提高到120 km/ h 后,与80 km/ h 速度相比,整个轨道维修工作量约增加费用50 % 。根据目前广州地铁运营总部对地铁1 号线轨道维修所配备的人员分析,每单线公里至少要保证1 人。故3 号线全线由于车辆行车速度提高需要多配备轨道维护人员加强维修,相应的人工费用每年约增加300 万元。运营费用主要包括运营牵引能耗成本、维修和人工成本等。通过以上对不同行车速度下运营费用的对比分析,可以看出影响运营维修成本的主要因素与选取的列车最高行车速度没有太大的关系(车辆检修工作量成本变化不大、轨道检修工作量成本与司乘人员的人工费成本增减基本持平) ,而运营能耗成本随着列车速度的提高有一定程度的增加。
3 综合经济分析
根据以上对不同最高行车速度下所需的车辆购置费用、土建工程费用、机电设备系统费用、运营费用等的综合分析和论证,可以看出当列车最高行车速度由80 km/ h 提高到120 km/ h 后,土建工程、机电设备系统的投资以及维修费用等均相差不大, 而车辆购置费用和牵引能耗则有较大的差别, 因此,需对不同方案的车辆购置费用和牵引能耗费用进行相关净现值的分析比较。
经过计算,当最高行车速度选择120 km/ h 时, 其车辆购置费用和牵引能耗费用的成本净现值最小。且整个工程造价可以有效控制在4. 2 亿/ km 范围内。选择120 km/ h 列车最高行车速度,车辆购置费可节省约21 % ; 尽管远期运营能耗费用增加约22 % , 但数额较小,平均能耗成本增加约0. 1 元/ 人次,仅为平均票价的1. 7 % , 但旅行速度的提高为乘客节约30 % 的旅行时间。因此,3 号线列车最高行车速度采用120 km/ h , 在经济上合理可行, 并将带来巨大的社会效益。
参 考 文 献
1 梁广深. 地铁设计中几个热点问题的探讨. 城市轨道交通研究,2002 , (1) :1
2 广州市地下铁道设计研究院. 广州市轨道交通三号线工程可行性研究报告. 广州,2001
3 广州市地下铁道设计研究院. 广州市轨道交通三号线工程可行性研究报告补充材料. 广州,2001
